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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Maschine einen Stator mit Statorspulen und einen drehbar gelagerten Rotor aufweist und wobei die Statorspulen derart verschaltet sind, dass sie keinen gemeinsamen Sternpunkt aufweisen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug.
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Ansteuerverfahren zur Ansteuerung elektrischer Maschinen, insbesondere elektrischer Antriebsmaschinen von Kraftfahrzeugen, sind bereits hinlänglich bekannt. Beispielsweise sind verschiedene Methoden zum mechanischen oder elektrischen Umschalten der Wicklung des Stators bei elektrischen Maschinen mit Dahlander-Wicklungen bekannt, die typischerweise in einem Dreiphasendrehstrommotor eingesetzt sind. Darüber hinaus ist bekannt zur Ansteuerung bzw. Regelung von mehrphasigen Drehstrommaschinen die Regelung von mehrphasigen Maschinen mittels feldorientierter Regelung bzw. Vektorregelung vorzunehmen.
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In der
DE 10 2016 222 101 A1 wird bereits ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Diese elektrische Maschine weist einen Stator und einen drehend durch den Stator antreibbaren Rotor auf, wobei mehrere Spulen des Stators und/oder Rotors fest verschaltet sind und wobei die Spulen unabhängig voneinander bestromt werden. Zudem wird eine elektrische Maschine beschrieben, die so ausgelegt ist, dass sie nach diesem Verfahren betreibbar ist, sowie ein Antriebsstrang mit der elektrischen Maschine.
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Andere elektrische Antriebssysteme verwenden zur Regelung von Drehzahl und Drehmoment Halbbrücken, die mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation den notwendigen Strom zur Verfügung stellen. Bei der Verwendung einer digitalen Regelung entstehen allerdings Harmonische, die sowohl ein komplexeres EMV-Konzept notwendig machen als auch zusätzliche Verluste in der elektrischen Maschine erzeugen. Um diesem Effekt gegenzusteuern, steigt die Komplexität der Leistungselektronik durch die Anwendung von sogenannten Multi-Level-Topologien, die je mehrere Spannungsebenen bereitstellen können, um die harmonischen zu reduzieren. Diese Multi-Level-Topologien sind aus dem Bereich der elektrischen Energieübertragung hinlänglich bekannt. Solche Schaltungen benötigen allerdings eine deutlich größere Menge an Leistungshalbleitern, wobei sich die notwendige Stromtragfähigkeit der Halbleiter nicht verändert. Dies führt zu einem deutlichen Kostenanstieg und einem deutlich höheren Bauraumbedarf. Beides ist insbesondere im Bereich Automotive nicht umsetzbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug, bereitzustellen, wodurch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine im Betrieb verbessert ist. Mit Vorteil sollen ebenfalls die Eigenschaften der elektrischen Maschine im Hinblick auf EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) im Betrieb der Maschine verbessert werden. Ebensolches gilt für die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit und den Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie der jeweiligen Patentansprüche 5 und 9. In den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren anzusteuernde elektrische Maschine weist einen Stator mit Statorspulen und einen drehbar (in (Innenläufer), um (Außenläufer) oder an bzw. neben (Axialflussmaschine) dem Stator) gelagerten Rotor auf, wobei die Statorspulen derart verschaltet sind, dass sie keinen gemeinsamen Sternpunkt aufweisen und vielmehr in einem Vieleck mit mehr als drei Spulenverbindungseckpunkten angeordnet sind. Die Ansteuerung der Statorspulen erfolgt auf herkömmliche Weise mittels unmittelbarer oder mittelbarer Pulsweitenmodulation, wobei gemäß der Erfindung in unterschiedlichen Betriebsmodi der elektrischen Maschine die Spulenverbindungseckpunkte der Statorspulen unterschiedlich angesteuert werden. Im Falle einer Ansteuerung bzw. Speisung der Spulenverbindungseckpunkte mittels unmittelbarer Pulsweitenmodulation, wird das pulsweitenmodulierte Signal direkt und unmittelbar auf die Spulenverbindungseckpunkte geschaltet. Im Falle einer Ansteuerung bzw. Speisung der Spulenverbindungseckpunkte mittels mittelbarer Pulsweitenmodulation, wird das pulsweitenmodulierte Signal erst auf ein Filterelement gegeben und anschließend das Ausgangssignal des Filterelements auf die Spulenverbindungseckpunkte geschaltet. Ausgangssignale des Filterelements sind dann beispielsweise phasenverschobene Sinussignale. Aufgrund der die verschiedenen Phasenlagen der unterschiedlichen Betriebsmodi werden unterschiedliche Spannungsamplituden erzeugt Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass in verschiedenen Betriebsmodi unterschiedliche Spannungsniveaus eingestellt werden können. Mit Vorteil wird ferner erreicht, dass mit steigender Anzahl von verwendeten Phasen auf einfache Weise die Anzahl der zur Verfügung stehenden Spannungsniveaus erhöht werden kann. Darüber hinaus können mit der Erfindung weiter gewöhnliche Halbbrücken bei gleichzeitiger Reduktion von Harmonischen und einer Verbesserung der Systemeffizienz eingesetzt werden. Auch kann die EMV sowie der Wirkungsgrad dieser Systeme verbessert werden. Gleichzeitig soll die Wechselspannung (AC-Spannung) der elektrischen Maschine bei gleichbleibender Gleichspannung (DC-Spannung) erhöht werden, um bei gleicher Leistung die Motorströme und damit die ohmschen Verluste zu reduzieren und die Halbleiterkosten zu verringern.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verfahren als Regelung ausgeführt ist, wobei in Abhängigkeit einer durch eine Gaspedalstellung vorgegebenen Sollgröße (Steuergröße w(t)) der Motorstrom der jeweils aktiven Phase der elektrischen Maschine als Regelgröße (y(t)) geregelt wird.
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Hierdurch kann in den verschiedenen Betriebsmodi ein unterschiedliches Drehverhalten der elektrischen Maschine und damit ein unterschiedliches Fahrverhalten eines Kraftfahrzeugs eingestellt werden.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine insgesamt fünf oder mehr verschiedene in einem Fünf- bzw. Vieleckeck verschaltete Statorspulen aufweist, wobei über die gezielte phasenverschobene Bestromung der verschiedenen Spulenverbindungseckpunkte unterschiedliche Spannungsniveaus einstellbar sind, und damit zwischen zwei verschiedenen Betriebsmodi der elektrischen Maschine umgeschaltet werden kann. Es kann hierdurch erreicht werden, dass das Prinzip der Dreieckverschaltung weiterentwickelt wird, um mehrere Spannungsebenen in der Leistungselektronik unnötig zu machen. Die Vorteile der Verschaltung in Dreieck liegen in den höheren Spannungsebenen an den Motorphasen. Durch die höhere Spannung je Phase bei gleicher DC-Spannung kann die Motorwicklung umgestaltet werden, sodass bei gleicher Leistung geringere ohmsche Verluste im Motor auftreten und geringere Phasenströme notwendig sind. Dadurch werden Kosten der Leistungselektronik verringert, was insbesondere in Systemen mit fünf oder mehr Phasen sehr effizient umsetzbar ist. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist die elektrische Maschine insgesamt sieben verschiedene in einem Siebeneck verschaltete Statorspulen auf, wobei über die gezielte phasenverschobene Bestromung der verschiedenen Spulenverbindungseckpunkte unterschiedliche Spannungsniveaus einstellbar sind, und damit zwischen drei verschiedenen Betriebsmodi der elektrischen Maschine umgeschaltet werden kann.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Antriebseinheit mit einer elektrischen Antriebsmaschine mit einem Stator mit Statorspulen zur Erzeugung eines Drehfeldes und mit einem drehbar (in, um oder an dem Stator) gelagerten Rotor, wobei die Statorspulen derart verschaltet sind, dass sie keinen gemeinsamen Sternpunkt aufweisen und vielmehr in einem Vieleck mit mehr als drei Spulenverbindungseckpunkten angeordnet sind, sowie eine mit den Statorspulen verbundene Halbleiterbrückenanordnung und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Halbleiterbrückenanordnung. Darüber hinaus umfasst die Antriebseinheit eine Filtereinheit, die zwischen der Halbleiterbrückenanordnung und den Statorspulen angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Filtereinheit als Sinusfilter oder als du/dt Filter ausgebildet. Hierdurch wird eine konstruktiv einfach aufgebaute und äußerst effiziente Antriebseinheit geschaffen.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Halbleiterbrückenanordnung genau zwei Halbleiterschalter pro Phase aufweist, was wiederum den einfachen und kostengünstigen Ansatz unterstützt.
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Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Antriebseinheit gemäß der Erfindung gelöst.
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Insgesamt kann durch die Erfindung erreicht werden, dass die Anzahl der verfügbaren Spannungslevel und damit die Anzahl der verfügbaren Kennfelder mit der Anzahl der Phasen ansteigt. Ebenso steigt die Differenz zwischen der größten und kleinsten Spannung mit der Anzahl der Phasen an. Diese größere Differenz führt zu einer besseren Ausnutzung der DC-Spannung. Diese Erfindung beschreibt damit ein neuartiges Regelverfahren zur Verwendung der Phasenverschiebung im Mehrphasensystem als zusätzlichen Freiheitsgrad neben den bekannten Modulationsverfahren wie der space-vector-modulation. Durch diesen zusätzlichen Freiheitsgrad erhält die Regelung einen weiteren Regelparameter neben der Pulsweite wodurch die Vorteile einer Multi-Level-Leistungselektronik genutzt werden können, wobei allerdings die Mehrkosten und der Mehraufwand für die entsprechenden Spannungsebenen wegfallen. Gleichzeitig wird die AC-Spannung im Vergleich zur Sternspannung erhöht, was bei gleicher Leistung zu geringeren Strömen und damit mit I2 * R zu geringeren ohmschen Verlusten führt.
Die Dreieck-Schaltung wird aufgrund von möglichen Kreisströmen aufgrund der höheren Verluste bei energieeffizienten Anwendungen zurzeit vermieden. Um mögliche Kreisströme zu vermeiden, muss die Regelung eine entsprechende harmonische zur Eliminierung der Kreisströme erzeugen. Aufgrund der möglichen Umschaltung der Polpaarzahl des Motors kommen hauptsächlich Asynchronmaschinen, fremderregte Synchronmaschinen oder allgemein Maschinen mit ummagnetisierbarem Rotor in Betracht. Anwendung kann dieses Konzept bei korrekter Ausführung allerdings auch bei Reluktanzmaschinen oder geläufigen Synchronmaschinen finden. Zur Anwendung kommen kann diese Erfindung sowohl bei Hochspannung als auch bei 48 V Systemen. Ratsam ist die Anwendung einer Filterstufe, da damit je nach Anwendungsfall das Aufaddieren der harmonischen verhindert wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine herkömmliche elektrische Maschine in einer Schnittdarstellung in einer Schnittebene entlang der Drehachse,
- 2 die Verschaltung der Statorspulen der elektrischen Maschine in fünf-phasiger Ausgestaltung, in unterschiedlichen Betriebsmodi mit 72° Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Statorspulen (oben Spule A zwischen die Phasen U und V geschaltet, unten Spule A zwischen die Phasen U und W geschaltet),
- 3 in schematischer Darstellung zwei um 72° phasenverschobene, auf 1 normierte und phasenmäßig übereinander geschobene Sinusspannungen (zweier verschiedener Betriebsmodi) inklusive der resultierenden Spannung,
- 4 ein Spannungszeigerdiagramm einer fünf-phasigen elektrischen Maschine mit zwei unterschiedlichen Betriebsmodi,
- 5 ein Motorkennfeld mit Kennlinien für zwei verschiedene Betriebsmodi, für den Fall, dass die Leistung der elektrischen Maschine gleichbleibt (da durch Leistungselektronik begrenzt), und
- 6 ein Motorkennfeld mit Kennlinien für zwei verschiedene Betriebsmodi, für den Fall, dass die Leistung der elektrischen Maschine nicht begrenzt wird.
- 7 in einem Blockschaltbild drei verschiedene Systemauslegungen (mit und ohne Filterstufe u.d.).
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1 zeigt eine herkömmliche elektrische Maschine 1 in einer Schnittdarstellung in einer Schnittebene entlang der Drehachse. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 mit Statorwicklungen 3 und einen Rotor 4, der innerhalb des Stators 2 drehbar gelagert angeordnet ist. Die Rotor-Stator-Anordnung ist in einem Motorgehäuse angeordnet.
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2 zeigt in schematischer Darstellung die Verschaltung von fünf Statorspulen 3 (A, B, C, D, E) der elektrischen Maschine 1 in fünf-phasiger Ausgestaltung. Die 2 zeigt eine entsprechende Vieleckschaltung am Beispiel einer fünf-phasigen Maschine mit den Phasen U bis Y Dabei sind die Phasen um 72° phasenverschoben angesteuert für zwei unterschiedliche Betriebsmodi.
Die Spannung an den fünf Statorspulen mit den Bezeichnungen A, B, C, D, E ergibt sich aus der Phasenverschiebung der angeschlossenen Spannungen. Im Bild oben ist die Statorspule 3 mit der Bezeichnung A zwischen die Phasen U und V geschaltet, während im unteren Bild die Statorspule 3 mit der Bezeichnung A zwischen die Phasen U und W geschaltet ist. Im Ergebnis erben sich damit durch die unterschiedliche Ansteuerung der Statorspulen 3 unterschiedliche Spannungsniveaus an der Statorspule 3 mit der Bezeichnung A, wie dies auch gut den Zeichnungsfiguren 3 und 4 entnommen werden kann.
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3 zeigt in schematischer Darstellung zwei um 72° phasenverschobene, auf 1 normierte Sinusspannungen (zweier verschiedener Betriebsmodi) inklusive der resultierenden Spannung. Zu sehen ist eine resultierende Spannung mit etwas erhöhter Amplitude. Diese Amplitude steigt mit zunehmender Phasenverschiebung bis 180° an. Aufgrund der maximalen negativen und positiven Spannung erreicht die resultierende Amplitude bei 180° ihr mögliches Maximum.
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Bei einer Anordnung mit den Phasen U, V, W, X, Y und den Wicklungen A, B, C, D, E sieht die Phasenlage folgendermaßen aus:
| Statorspule | A | B | C | D | E |
| Phasen Control 1 | UV | VW | WX | XY | YU |
| Phasen Control 2 | UW | WY | YV | VX | XU |
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Man kann erkennen, dass durch die Kombination UW (control 2) an einer Spule eine größere Spannungsamplitude resultieren muss als mit UV (control 1). Dieser Effekt kann bei Mehrphasensystemen ausgenutzt werden, um je nach Schaltzustand eine unterschiedliche Spannung erzeugen zu können.
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4 zeigt ein Spannungszeigerdiagramm einer fünf-phasigen elektrischen Maschine
1 mit zwei unterschiedlichen Betriebsmodi. Betrachtet man die Spannungszeiger der fünf Phasen U, V, W, X, Y kann man erkennen, dass die Verbindung der Spitzen je nach Verschaltungsvariante zu unterschiedlich langen resultierenden Spannungszeigern an der jeweiligen Spule führt.
Daraus resultieren für den Motor zwei unterschiedliche Betriebsmodi. Hier muss unterschieden werden in
| Betriebsmodus 1 „control 1“ | Die Leistung bleibt gleich, da die Leistungselektronik die mögliche Leistung begrenzt, und |
| Betriebsmodus 2 „control 2“ | Die anliegende Spannung bestimmt die Leistung des Antriebs in den beiden Betriebsmodi. Höhere Spannung -> Feldschwächung tritt bei höherer Drehzahl auf -> Höhere Leistung. |
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Im Betriebsmodus 1 entstehen für die beiden beispielhaften Betriebsmodi zwei unterschiedliche Motorkennfelder, deren Eckpunkte sich auf einer gemeinsamen Leistungshyperbel, wie sie in 5 dargestellt ist, bewegen.
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Im Betriebsmodus 2 entstehen zwei unabhängige Kennfelder mit unterschiedlicher Leistung, wie dies in 6 veranschaulicht ist.
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5 zeigt ein Motorkennfeld mit Kennlinien für die beiden vorstehenden beschrieben Betriebsmodi „control 1“ und „control 2“, für den Fall, dass die Leistung der elektrischen Maschine 1 gleichbleibt, da sie durch entsprechende Leistungselektronik begrenzt wurde.
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6 zeigt ein Motorkennfeld mit Kennlinien für die beiden verschiedenen Betriebsmodi, für den Fall, dass die Leistung der elektrischen Maschine 1 nicht begrenzt wurde.
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In 7 werden beispielhaft in einem Blockschaltbild verschiedene Systemauslegungen mit und ohne Filterstufe aufgeführt. In einem ersten System wird eine Antriebseinrichtung 6 umfassend eine elektrische Maschine 1 mit einem als AC-Filter ausgebildeten Filterelement, einem Inverter, einem Zwischenkreis, einem DC/DC-Wandler, einem DC-Filter und einer Versorgungsbatterie vorgeschlagen. In einem zweiten Systemvorschlag wird eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine 1, mit einem vorgeschalteten AC-Filter, einem davor angeordneten Inverter, einem vor dem Inverter angeordneten Zwischenkreis, einem vor dem Zwischenkreis angeordneten DC-Filter und einer Batterie vorgeschlagen. Im Vergleich zum ersten Systemvorschlag ist im zweiten Systemvorschlag lediglich der DC/DC-Wandler weggefallen.
In einem dritten Systemvorschlag wird im Vergleich zum zweiten Systemvorschlag zusätzlich noch die AC-Filtereinheit weggelassen. Dieses System umfasst neben der elektrischen Maschine 1 einen vorgeschalteten Inverter, einen vor dem Inverter angeordneten Zwischenkreis sowie einen vor dem Zwischenkreis angeordneten DC-Filter und eine vorgeschaltete Versorgungsbatterie.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Statorspule
- 4
- Rotor
- 5
- Spulenverbindungseckpunkt
- 6
- Antriebseinrichtung
- 7
- Halbleiterbrückenanordnung
- 8
- Steuereinheit
- 9
- Halbleiterschalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016222101 A1 [0003]
